CN103149251A - 一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，用ZnO纳米棒阵列膜作为气敏材料制备气敏元件，将ZnO纳米棒阵列膜气敏元件处于10-30℃温度下的乙醇饱和蒸气中，利用乙醇饱和蒸气的辅助氧化反应来增强气敏元件对常规浓度氧气的气敏性能，气敏元件的工作温度为150-400℃，气敏元件对体积百分比浓度为10-35%的氧气灵敏，响应时间小于110秒，在该氧气浓度范围内气敏元件为线性响应。本发明的优点是：该方法操作简单容易实现，克服了还原性气体对氧化锌气敏元件的氧气响应的干扰，而且氧气响应速度快，稳定性好，且其灵敏度和氧气浓度有很好的线性关系，在空气中氧气浓度检测方面有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体气体传感器技术领域，特别涉及一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法。
背景技术
近年来随着人们对健康空气环境的日益关注，开发检测室内氧气含量的气体传感器也越来越受到重视。氧化锌是一种应用广泛的半导体材料，氧化锌材料因具有制备工艺简单、成本低、应用范围广等特点，在气体传感器领域有重要的应用价值。然而迄今有关氧化锌材料在O2气敏方面的研究大多是针对真空环境下、低浓度的氧气，很少涉及与空气组成相匹配的氧气浓度的气敏。
氧化锌基气敏元件大多使用其纳米棒阵列膜作为气敏材料，但目前所研究的氧化锌基氧气传感器对氧气的响应和恢复时间都很长，许多还原性气体对氧气的响应很容易产生干扰，阻碍了其应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，以克服其对常规浓度氧气的响应易受还原性气体干扰、响应速度慢及无法线性响应等不足。
本发明的技术方案：
一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，用ZnO纳米棒阵列膜作为气敏材料制备气敏元件，将ZnO纳米棒阵列膜气敏元件处于10-30℃温度下的乙醇饱和蒸气中，利用乙醇饱和蒸气的辅助氧化反应来增强气敏元件对常规浓度氧气的气敏性能，气敏元件的工作温度为150-400℃，气敏元件对体积百分比浓度为10-35%的氧气灵敏，响应时间小于110秒，在该氧气浓度范围内气敏元件为线性响应。
所述ZnO纳米棒阵列膜的膜厚为0.5-2微米；纳米棒为（001）晶面取向，其直径为20-130纳米。
所述乙醇饱和蒸气的气压为3-10kPa，该乙醇饱和蒸气是通过无水乙醇液体在室温下自然挥发产生。
本发明的工作原理：
目前研究已经证实氧化锌表面能吸附氧气，氧气从氧化锌吸收电子变成氧离子，而氧化锌表面失去电子形成耗尽层，氧化锌电阻变大，而乙醇等还原性气体能和吸附的氧离子发生反应，把吸附的氧离子还原，重新释放电子到氧化锌表面，其反应式为：
CH3CH2OH(adsorbed)+6O-(adsorbed）→2CO2+3H2O+6e-。
在乙醇蒸气辅助下氧气在氧化锌表面吸附会加快，可以很快达到吸附平衡。当氧化锌处在饱和乙醇蒸气中时，会对乙醇吸附饱和，此时若氧化锌表面氧气浓化度变大时，氧化锌吸附氧量会变化，这个反应在乙醇辅助下会很快达到平衡，大大缩短了氧气敏的响应时间。
本发明的优点是：
本发明通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，操作简单容易实现，该方法克服了还原性气体对氧化锌气敏元件的氧气响应的干扰，而且氧气响应速度快，稳定性好，同时这种方法得出的灵敏度和氧气浓度有很好的线性关系。
附图说明
图1为实施例1样品得到的氧化锌对不同浓度氧气的气敏响应曲线，其中：
图1a是对低于空气中氧气浓度的氧气的气敏响应曲线，图1b是对高于空气中氧气浓度的氧气的气敏响应曲线。
图2为实施例2中样品得到的氧化锌对不同浓度氧气的气敏响应曲线。
图3a为实施例1和实施例2两个样品得到的氧化锌对低于空气浓度氧气的灵敏度对比；图3b为实施例1和实施例2两个样品得到的氧化锌对高于空气浓度氧气的灵敏度对比。
图4为实施例1和实施例2中样品的SEM图，其中：图4a是实施例1样品的SEM图，图4b是实施例2样品的SEM图。
具体实施方法
实施例1：
一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，用平均直径80nm的ZnO纳米棒阵列膜作为气敏材料制备气敏元件，该气敏元件阵列膜的膜厚为1微米，纳米棒为（001）晶面取向，将ZnO纳米棒阵列膜气敏元件处于19℃温度下的乙醇饱和蒸气中，乙醇饱和蒸气压为5kPa，该乙醇饱和蒸气压是无水乙醇液体在该室温下自然挥发产生，利用乙醇饱和蒸气的辅助氧化反应来增强气敏元件对常规浓度氧气的气敏性能，气敏元件的工作温度为200℃，以空气中标准氧气浓度的灵敏度为0点，气敏元件对体积百分比浓度为10-35%的氧气灵敏，响应时间小于105秒，在该氧气浓度范围内气敏元件为线性响应。
图1为实施例1样品得到的氧化锌对不同浓度氧气的气敏响应曲线，其中：图1a是对低于空气中氧气浓度的氧气体积百分比分别为10%、15%、18%的氧气的气敏敏响应曲线，图1b是对高于空气中氧气浓度的22%-35%的氧气敏响应曲线，图中显示：用这种方法氧化锌对10%-35%的氧气有较快的响应，响应也能达到一个较稳定的平台。
实施例2：
一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，用平均直径120nm的ZnO纳米棒阵列膜作为气敏材料制备气敏元件，该气敏元件阵列膜的膜厚为1.3微米，纳米棒为（001）晶面取向，将ZnO纳米棒阵列膜气敏元件处于20℃温度下的乙醇饱和蒸气中，乙醇饱和蒸气压为5.5kPa，，该乙醇饱和蒸气压是无水乙醇液体在该室温下自然挥发产生，利用乙醇饱和蒸气的辅助氧化反应来增强气敏元件对常规浓度氧气的气敏性能，气敏元件的工作温度为200℃，以空气中标准氧气浓度的灵敏度为0点，气敏元件对体积百分比浓度为15-35%的氧气灵敏，响应时间小于90秒，在该氧气浓度范围内气敏元件为线性响应。
图2为实施例2中样品得到的氧化锌对不同浓度氧气的气敏响应曲线，图中表明：用这种方法氧化锌对15%-35%的氧气有较快的响应，响应也能达到一个较稳定的平台。
图3a为实施例1和实施例2两个样品得到的氧化锌对低于空气浓度氧气的灵敏度对比，图3b为实施例1和实施例2两个样品得到的氧化锌对高于空气浓度氧气的灵敏度对比，图中显示：两个实施例结果基本一致，而且灵敏度和氧气浓度有很好的线性关系。
图4为实施例1和实施例2中样品的SEM图，其中：图4a是实施例1样品的SEM图，图4b是实施例2样品的SEM图，从图中可以看到：实施例1中氧化锌纳米棒阵列直径平均是80nm，实施例2中氧化锌纳米棒阵列直径平均为120nm。
Claims (3)
1.一种通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，其特征在于：用ZnO纳米棒阵列膜作为气敏材料制备气敏元件，将ZnO纳米棒阵列膜气敏元件处于10-30℃温度下的乙醇饱和蒸气中，利用乙醇饱和蒸气的辅助氧化反应来增强气敏元件对常规浓度氧气的气敏性能，气敏元件的工作温度为150-400℃，气敏元件对体积百分比浓度为10-35%的氧气灵敏，响应时间小于110秒，在该氧气浓度范围内气敏元件为线性响应。
2.根据权利要求1所述通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，其特征在于：所述ZnO纳米棒阵列膜的膜厚为0.5-2微米；纳米棒为（001）晶面取向，其直径为20-130纳米。
3.根据权利要求1所述通过乙醇饱和蒸气增强ZnO氧气敏性能的方法，其特征在于：所述乙醇饱和蒸气的气压为3-10kPa，该乙醇饱和蒸气是通过无水乙醇液体在室温下自然挥发产生。
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|---|---|---|---|---|
| CN103880064A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-06-25 | 济南大学 | 一种在陶瓷管上原位生长二维片状结构纳米氧化锌的方法 |
| CN108226233A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-06-29 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 分级结构ZnO@ZnO纳米复合气敏材料及其制备方法 |
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2013
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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